Повышающий преобразователь постоянного напряжения

ВВЕДЕНИЕ
В данном курсовом проекте мы должны производит расчет и моделирование источника постоянного напряжения с использованием однотактной ячейки с ШИМ. Основными этапами курсового проекта являются:
- Структурный синтез схемы;
- Расчет параметров элементов силовой цепи;
- Расчет параметров системы управления;
- Разработка подсистемы защит;
- Моделирование процесса работы устройства;
- Расчет статических характеристик и энергетических показателей.
 










1 Однотактный ШИМ контролер
Структурный синтез схемы
Реализуемое устройство состоит из следующих основных блоков:
Трансформатор, повышающий входное напряжение с 15 до 24 В;
Выпрямитель;
Низкочастотный фильтр;
Транзисторный мостовой широтно-импульсный преобразователь (ШИП) вместе с системой управления.
Транзисторный мостовой (реверсивный) ШИП быть должен из прямого управляемого транзисторного моста и обратного неуправляемого диодного моста (рисунок 1).
Особенностью этой схемы нужно чтобы , по сравнению со схемой обычного понижающего преобразователя является возможность реверса выходного напряжения, это достигается увеличением числа полупроводниковых элементов в схеме.
В одну из диагоналей моста включена нагрузка, а другая подключена к источнику питания. Две пары транзисторных ключей моста (на рисунке 1 VT1, VT4 и VT3, VT2) образуют две группы управляемых вентилей, каждая из которых должным образом обеспечивает собственное свое направление тока от источника через нагрузку. Транзисторные ключи должно бить работают в режиме переключения.

Рисунок 1- Упрощенная схема

Диоды, должным образом цепь протекания тока нагрузки в интервалах времени, когда такая цепь не создана транзисторными ключами.
Прежде всего, эти диоды образуют цепь для замыкания тока, обусловленного ЭДС самоиндукции при активно-индуктивной нагрузке.
Повышающий преобразователь (рис. 1) имеет на выходе дроссель,
обеспечивающий непрерывность входного тока и стабильность рабочей
точки ВАХ по току. Однако его характеристика показывает увеличение
напряжения на всех диапазоне регулирования. Это приводит к необходимости использования байпаса для предотвращения превышения напряжения на выходе.
Контроллеры точки максимальной мощности используются как в сетевых, так и автономных станциях. В сетевых инверторах вся вырабатываемая СБ мощность передаётся в сеть.
В автономной системе, когда аккумуляторы полностью заряжены и нет нагрузки для потребления выработки СБ.
Устройство отслеживания точки максимальной мощности переносит рабочую точку, уменьшая мощность, пока она не будет соответствовать потреблению.
Так же может использоваться альтернативный подход, когда избыточная мощность СБ используется для питания резистивной нагрузки, благодаря чему фотоэлемент всегда работает на максимальной мощности
Рисунок 2- временные диаграммы работы повышающего ИППН

1.2 Расчет фильтра
1. Для начала мы должним образом выполним расчет сопротивления нагрузки Rн и индуктивности нагрузки Lн для различных случаев.
1. Выбираем частоту квантования, равную 50 кГц
2. Рассчитаем минимальное значение глубины модуляции по выражению (1.2.1), приведенному в [1, с.231], при максимальном входном напряжении и минимальном выходном
█(μ_min=μ(U_(вх max),U_(вых min) )=(√2 〖×U〗_(вых min))/U_(вх max) #(1.2.1) )
где U_(вых min) – действующее значение минимального выходного напряжения, U_(вх max) – максимальное напряжение на выходе нужного силового выпрямителя с учетом коэффициента трансформации (K_тр), предварительно принятого равным 3.
U_(вых min)=15×0,85=12,75 В
U_(вх max)=(2√2)/π×U_вх×1,1×K_тр=(2√2)/π×15×1,1×3=49,5В
μ_min=(√2×12,75)/49,5=0,36
Рассчитаем максимальное значение глубины модуляции по выражению (1.2.2), приведенному в [1, с.231], при минимальном входном напряжении и максимальном выходном
█(μ_max= μ(U_(вх min),U_(вых max) )=(√2 〖×U〗_(вых max))/U_(вх min) #(1.2.2) )
где U_(вых max) – действующее значение максимального выходного напряжения, U_(вх min) – минимальное напряжение на выходе силового выпрямителя с учетом коэффициента трансформации (K_тр), предварительно принятого равным 3.
U_(вых max)=24×1,15=27,6 В
U_(вх min)=(2√2)/π×U_вх×0,9×K_тр=(2√2)/π×15×0,9×3=40,5 В
μ_max=(√2×27,6)/40,5=0,96
3. Рассчитаем силовой фильтр.
Силовой фильтр рассчитывается при следующих условиях:
- Входное напряжение преобразователя U_(вх пр max)=49,5 В
- Выходное напряжение U_(вых пр min)=12,75 В
- Полная мощность S_н=176,47 (В·А)
S_н=P_max/〖cos⁡(φ)〗_min =150/0,85=176,47 (В·А)
- Угол сдвига фазы между током и напряжением нагрузки φ=31,79°
φ=arccos⁡(0,85)=31,79°
Программа расчета фильтра с пояснениями в среде Mathcad представлена в приложении 1.
С учетом данных, полученных в результате расчета, принимаем значение индуктивности и емкости: L=9,688 мГн;C=470 мкФ.
Исходные данные для выбора конденсатора фильтра:
– максимальное выходное переменное напряжение преобразователя U_(вых пр max)=27,6 В;
ёё– требуемая емкость конденсатора фильтра C=470 мкФ;
– эффективное значение тока конденсатора I_c=6,2 А;
Рассмотрим возможность применения электролитического конденсатор фирмы JCCON.
Основные параметры конденсатора:
– номинальная емкость C_R=500 мкФ;
– номинальное переменное напряжение U_R=12,75 В;
– номинальный ток I_(AC,R)=8,7 А;
– эквивалентное последовательное сопротивление R_C=1,46 мОм.
Определяем минимальную емкость конденсатора, которая может быть достигнута при эксплуатации.
Для этого учтем следующие факторы:
– технологический разброс номинального значения емкости ± 5%, тогда коэффициент уменьшения емкости из-за технологического разброса k_mex=0,95;
– коэффициент уменьшения емкости при частоте 5000 Гц k_f=0,996;
– коэффициент уменьшения емкости при температуре +100℃ k_T=0,98;
– коэффициент уменьшения емкости за срок службы k_вр=0,95.
Минимальное значение емкости может быть определено как:
C_min=C_R k_mex k_f k_T k_вр=500⋅10^(-6)⋅0,95⋅0,996⋅0,985⋅0,9=419 мкФ
Коэффициент должного значение гармоник с учетом внутреннего сопротивления конденсатора составляет 0,066%, что значительно меньше должного требования технического задания.
Запас по току при выборе прибора получается значительным. Таким образом, мы можем сделать вывод о допустимости применения данного конденсатора в рассчитываемом фильтре.